付　翔，王玉剛，王紅雷，胡　峰

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070; 2.武漢外國(guó)語學(xué)校，湖北 武漢 430022)

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EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障分析

付翔1，王玉剛1，王紅雷1，胡峰2

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070; 2.武漢外國(guó)語學(xué)校，湖北 武漢 430022)

摘要：針對(duì)EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障問題，對(duì)武漢市運(yùn)行的10輛純電動(dòng)通勤車中EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障和故障發(fā)生時(shí)行駛里程進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，根據(jù)汽車可靠性理論得出系統(tǒng)故障概率密度和故障率與行駛里程的分布關(guān)系，建立了EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹。并結(jié)合EMT系統(tǒng)常見故障及其產(chǎn)生機(jī)理，提出了提高EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的方法。對(duì)純電動(dòng)客車和EMT系統(tǒng)改進(jìn)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：EMT；故障統(tǒng)計(jì)；可靠性；故障分析

世界各國(guó)的客車生產(chǎn)企業(yè)，由于競(jìng)爭(zhēng)壓力，越來越重視客車的可靠性問題[1]。絕大多數(shù)消費(fèi)者把車輛的可靠性作為首要因素，客車可靠性差，不僅影響企業(yè)信譽(yù)，還可能失去市場(chǎng)。同時(shí)，隨著客車技術(shù)的發(fā)展，整車系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，如果要維持或提高整車的可靠性，就必須提高系統(tǒng)的可靠性。目前中國(guó)客車制造水平與國(guó)外知名企業(yè)還有一定的差距，與客戶的期望值還有不小的距離[2]。提高整車動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性是保證車輛正常行駛和安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，可靠性的提高是建立在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，找出不足并提出優(yōu)化方案，因此整車動(dòng)力系統(tǒng)的故障分析對(duì)可靠性提高具有重要意義[3]。

1EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

EMT(電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由三相交流異步電機(jī)、變速箱、電機(jī)控制器、整車控制器、高壓配電系統(tǒng)和附件等組成的一套完整的整車動(dòng)力系統(tǒng)總成[4]。以武漢市運(yùn)行的10輛裝有EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)通勤車作為研究對(duì)象，對(duì)其10 000 km行駛里程內(nèi)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，故障分布如表1所示。

2EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障分析

2.1EMT故障樹的建立

按照系統(tǒng)—總成—零件/元件—零件的失效模式—零件特征、設(shè)計(jì)缺陷的順序，建立如圖1所示的故障樹，其中，“≥1”表示輸出位置對(duì)應(yīng)的事件只要有一個(gè)輸入事件發(fā)生時(shí)就會(huì)發(fā)生[5]。

2.2故障數(shù)據(jù)的分析

故障在每1 000 km內(nèi)分布直方圖如圖2所示。從圖2可以看出，故障明顯集中在0～3 000 km范圍內(nèi)，這是由系統(tǒng)剛開始使用時(shí)設(shè)計(jì)、調(diào)試或者產(chǎn)品的不一致性等原因造成的早期失效期；在4 000～10 000 km范圍內(nèi)，故障分布較少且較為均勻，這是偶然失效期，這個(gè)階段的故障主要是由誤操作或者某些偶然因素造成的。

2.2.1理論分布規(guī)律

在可靠性研究中，一般是通過統(tǒng)計(jì)匯總推斷可靠性的特征量，然后根據(jù)可靠性分布推斷故障分布趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)故障規(guī)律進(jìn)行分析。威布爾分布對(duì)各種類型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合能力較強(qiáng)，在不知道EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障屬于何種分布時(shí)，筆者假設(shè)其屬于雙參數(shù)威布爾分布[6]。

在可靠性研究中，以故障分布函數(shù)F(t)和故障概率密度f(t)為主要研究對(duì)象。F(t)的大小直接反映故障發(fā)生的概率，反映故障與行駛里程的關(guān)系；f(t)為汽車在單位里程內(nèi)出現(xiàn)故障的概率密度。在實(shí)際情況下，其通過一組有效可靠性數(shù)據(jù)分析求得。

雙參數(shù)威布爾分布的密度函數(shù)f(t)和失效概率F(t)分別如式(1)和式(2)所示，其中包括特征壽命T和形狀參數(shù)b。

表1　EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

圖1　EMT系統(tǒng)故障樹

圖2　故障隨行駛里程分布直方圖

(1)

(2)

2.2.2威布爾參數(shù)的計(jì)算

失效數(shù)據(jù)的分析可以通過各種分析方法進(jìn)行，最常用的有矩量法、回歸分析法和極大似然法。筆者選取回歸分析法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。回歸分析[7]通過線性的光滑函數(shù)來求得失效分布，使各坐標(biāo)[ti,F(ti)]與線性光滑方程的距離平方和達(dá)到最小值。各區(qū)間采用通用的線性光滑函數(shù)計(jì)算，然后把這些函數(shù)相加。最后，法方程可以通過求導(dǎo)得到。通過回歸分析，雙參數(shù)威布爾分布參數(shù)b和T可以通過下列方程解出。

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)式(3)～式(8)解得：

b=0.87，T=3 170

2.2.3假設(shè)函數(shù)的驗(yàn)證

為評(píng)判直線的擬合度，引入相關(guān)系數(shù)K：

(9)

相關(guān)系數(shù)是表示變量之間關(guān)系強(qiáng)弱和方向的指標(biāo)。K的絕對(duì)值越接近1，擬合程度越好[8]。

計(jì)算可得K=0.956，由于K值非常接近1，因此可以判定故障分布符合所假設(shè)的雙參數(shù)威布爾分布。由此可得密度函數(shù)為:

(10)

失效概率為:

(11)

可靠度為:

(12)

EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠度R(t)和失效概率F(t)的分布曲線如圖3所示，兩者之和為1，概率密度函數(shù)f(t)的分布曲線如圖4所示。由圖3可以看出，可靠度和失效概率的斜率隨著行駛里程的增加逐漸減小。從圖4可以明顯看出，EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效分布近似于指數(shù)分布，開始失效密度較高，隨后連續(xù)降低。系統(tǒng)早期的失效率很高，隨著行駛里程的增加，失效率快速降低。說明系統(tǒng)剛投入運(yùn)營(yíng)過程中，由于零部件的匹配、產(chǎn)品的不一致性等因素對(duì)系統(tǒng)的故障率影響很大，如何避免和減小故障對(duì)運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要。

圖3　F(t)和R(t)的分布曲線

圖4　概率密度函數(shù)f(t)的分布曲線

從表1和圖1可以看出，在統(tǒng)計(jì)的49次故障中，高壓配電系統(tǒng)故障數(shù)為25次，其中，充電電流熔斷器和氣泵電流熔斷器占絕大部分，說明電流熔斷器的選型存在問題；因擋位傳感器反饋值漂移和氣泵過溫保護(hù)引起的故障占1/5；軸端旋變和電機(jī)PG卡故障引起的故障占1/9?？梢?，電流熔斷器、擋位傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器是引起故障的主要因素。

3提高EMT系統(tǒng)可靠性的方法

(1)擋位傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的容錯(cuò)控制。擋位傳感器采用位移傳感器，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，使用預(yù)先設(shè)置好的狀態(tài)值代替實(shí)際值，直至更換傳感器為止。EMT系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)變壓器分別采集軸端轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，切換控制模式，直至旋變正常，圖5為傳感器故障容錯(cuò)框圖[9]。

圖5　傳感器故障容錯(cuò)框圖

(2)故障等級(jí)設(shè)計(jì)與處理。對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行等級(jí)劃分，并確定相應(yīng)等級(jí)的處理規(guī)則，最大限度地保證系統(tǒng)功率輸出，保證正常行駛，圖6為故障處理框圖。

圖6　故障處理框圖

(3)電流熔斷器的合理選型。電流熔斷器選型時(shí)，在考慮最大輸出功率、額定電壓的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮傳遞效率、溫度、頻率負(fù)荷等綜合修正因素的影響[10]，同時(shí)還要考慮一定的放大系數(shù)。

4結(jié)論

通過對(duì)EMT系統(tǒng)故障和故障發(fā)生里程等故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障分布與車輛行駛里程之間的關(guān)系，進(jìn)而得出概率密度函數(shù)、可靠度和失效概率。根據(jù)所建立的EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障樹，結(jié)合EMT系統(tǒng)常見故障，提出了提高EMT電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的方法，為系統(tǒng)改進(jìn)提供了一定的理論基礎(chǔ)和參考。

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FU Xiang:Assoc.Prof.; School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號(hào)：2095-3852(2016)01-0115-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-06-19.

作者簡(jiǎn)介：付翔(1973-)，女，湖北隨州人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授.

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014-II-004)；武漢市科學(xué)技術(shù)局基金資助項(xiàng)目(2013011801010596).

中圖分類號(hào)：U461.7

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.025

Reliability Analysis of EMT Electric Drive System

FU Xiang， WANG Yugang， WANG Honglei， HU Feng

Abstract：The faults of the EMT electric drive of the ten pure electric bus in Wuhan and the mileage when the faults occurred were statistic,the distribution relationship of the system failure probability density and the failure rate with the mileages according to the car reliability theory was obtained.According to the EMT system fault tree and its common failure and its generating mechanism,the methods and measures of improving the reliability of EMT drive system are proposed.The development and improvement of pure electric bus and EMT system are of great significance.

Key words：EMT; statistics of fault; reliability; fault tree